FRP材料在土木工程中的应用及其研究现状

FRP材料在土木工程中的应用及其研究现状

1 定义

复合材料(Composite Materia1)是指两种以上的材料组合在一起形成的非均匀材料．事实上，自然界中绝大多数物体都可视为复合材料．在土木工程界，最典型的复合材料是混凝土．在现代工业界，复合材料是指人工制造合成的二相或多相材料，通常一相为加强材料(Reinforce)，另一相为基质(Matrix)．常用的加强材料有玻璃(Glass)、碳(Carbon)、石墨(Graphite)或碳化硅(Polymer)．常用的基质材料有各类聚合物(Polymer)，如高分子聚合物、低分子聚合物、热固性聚合物和金属、陶瓷等．加强材料通常采用纤维(Fiber)或颗粒(Particle)两种形式．在工业界最常采用的复合材料是加强纤维复合材料(FiberReinforced Plastic，FRP)．复合材料的发展历史很短，最早的复合材料产生于1939年，是玻璃纤维复合材料(Glass／Epoxy Fiber Reinforced Plastic，GFRP)．从1959开始，工业界开始生产和应用复合材料. 2 FRP复合材料在土木工程中应用的优势

复合材料产生和发展的基本思想是充分发挥加强材料和基质的不同材料特性，并将其有机组合，使复合材料具有传统材料所不具备的物理化学及力学特性．这种思想类似于钢筋混凝土的特性，利用钢筋承担大部分受拉应力，利用混凝土承担大部分受压应力．所不同的是，在复合材料中，绝大部分应力均由具有较高强度的纤维承担，而基质主要起传递剪力和包裹纤维的作用．正是复合材料可以有机组合不同性质的材料，因此复合材料具有传统材料(如钢材)无法比拟的优点．复合材料最重要的优点是具有非常高的强度对重量比(Strength to Weight Ratio)及刚度对重量比(Stiffnes to Weight Ratio)，因此复合材料广泛应用在航空、航天等要求轻质高强结构的领域．此外，复合材料还具有抗疲劳、抗腐蚀、磁电屏蔽及使用寿命长等优点．

3 FRP复合材料在土木工程中应用的技术现状及趋势

FRP在土木工程中的应用比其它产业滞后，主要有两个原因．第一个原因是建筑物造价不能过高；另一个原因是缺少工程经验．工程师面对的许多实践性问题就是关于这种FRP加强结构的预期或先见效果的设计．对混凝土结构和钢结构有一系列规程和标准及丰富的设计理论和工作经验，然而对于FRP加强结构设计

的标准和研究还相当匮乏．但从9o年代早期，尤其从1996年开始，在土木工程中的一些特殊领域，FRP的使用已经有了巨大发展．在最近1O年中，有许多文献报道了FRP在土木工程中的应用．第二届复合材料在桥梁和结构进展的国际会议上，有来自2O个国家的247位作者提交119篇文章涉及到FRP复合材料的应用，这表明了FRP复合材料的应用正在引起广泛注意．

3.1国外技术发展现状

由于FRP复合材料特性奠定了FRP在土木工程领域应用的巨大技术优势．美国材料咨询委员会(NMAB)1987年的年度报告中指出，有253000座混凝土桥存在不同程度的损伤，且以每年35000座的速度在增加．1991年用于修复由于耐久性不足而损坏的桥梁，耗资910亿美元 ．英国为解决海洋环境下钢筋混凝土构筑物的腐蚀与防护问题，每年就花费将近2O万英镑．英国英格兰岛中部环形线的快车道有11座混凝土高架桥，建于1972年，建造费用为2 800万英镑．建成两年后就发现有因钢筋锈蚀使混凝土发生顺筋裂缝的现象，在1974~1989年的15年期间，修补费用已高达4 500万英镑，为造价的1．6倍，估计以后15年还要耗费1．2亿英镑，累计接近造价的6倍 ．El本引以为豪的新干线使用不到1O年，就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象．我国混凝土工程的耐久性问题也十分突出，据统计我国既有的公路桥梁中危桥约占35．4 ，北京市的多座高架桥都存在程度不同的耐久性损伤．从最早期的FRP材料应用开始，国外FRP材料在土木工程中的研究和应用的历史已有近3O年．2O世纪6O年代，美国即生产出早期的GFRP筋用于混凝土结构．8o年代，El本、美国和欧洲发达国家的有关高等学校、科研机构和材料生产厂家在FRP材料用于工程结构加固方面投入了许多研究力量，在土木工程领域进行大量的研究和广泛应用，取得了一批富有成效的成果．特别是9O年代，由于在欧美一些国家，特别是美国，有大量的结构接近设计寿命或承载能力不足，如何有效快速进行结构补强或置换成为学术研究的热点．1995年El本阪神地震，采用GFRP对混凝土结构进行抗震加固，由于GFRP现场加固技术具有高强高效、施工便捷、耐久性好等优点，为抗震救灾和震后恢复重建工作赢得了时间．

在FRP筋混凝土方面，FRP筋最主要的优势是不锈蚀和高强度．FRP筋可以替代普通钢筋，解决普通钢筋容易锈蚀的问题．另外，它们很轻，没有磁性，而且拥有非常好的抗疲劳性．据美国西弗吉尼亚(West Virginia)大学研究GFRP筋的

报告，高强度FRP筋混凝土梁比使用传统钢筋的梁显示出极大的抗弯强度．美国在1986年建成了第一座配置FRP筋的预应力混凝土桥梁．1983年荷兰研制出芳纶纤维(AFRP)预应力筋，与普通钢筋混凝土构件相比，采用这种AFRP预应力筋不需要混凝土保护层，从而可以减小构件截面尺寸．1994年加拿大建成了第一座采取GFRP预应力绞线的公路大桥．1996年在美国西弗吉尼亚建造了第一座使用FRP筋的大桥．目前，采用FRP筋混凝土结构实例不多，技术也不完全成熟．其FRP筋材料均为单一品种的AFRP、碳纤维(CFRP)或GFRP，没有应用混凝土改性的FRP筋．其应用领域，也大多局部于桥梁或有较高防腐要求的结构．

在研究与应用的规范与标准化方面，各国也给予了相当的重视．1999年El本土木学会成立FRP加固委员会，并完成了使用FRP片材的混凝土维修、加固技术草案．1991年美国混凝土协会成立了ACI440委员会，负责开展FRP加固混凝土与砌体结构的研究；ACI423委员会负责开展FRP的研究，目前已推出了有关设计指南(草案)．1993年ACI在加拿大主办了第一届国际FRP专题会议，此后每两年举办一次．欧洲《高性能FRP加固混凝土结构设计指南》项目于1997年12月开始启动，目前已完成．我国在FRP加固的规范制定方面还是比较落后，到目前为止我国仅仅制定了一本关于碳纤维加固混凝土结构的规程《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》。 ．近年来，国外某些发达国家不仅已将CFRP材料成功地应用于各种新建及已建的建筑与土木工程领域，而且其它FRP材料(GFRP和AFRP)也已得到成功地应用．许多发达国家都十分重视和积极推广FRP在土木工程中的研究和应用．据统计仅CFRP每年应用数量即达600～7O0 t，在土木建筑方面的应用产品已达数十种，并已标准化、规范化．

3.2 国内技术现状及特点

我国在土木工程中对FRP材料应用技术的研究与开发，基本是从2O世纪9O年代中期开始的．1997年开始引进CFRP片材加固混凝土结构技术，并开始进行相关研究．由于其巨大的技术优势，在很短的时间内就形成研究及其工程应用的热点．目前已有冶金工业部建筑研究总院(国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心)、清华大学、东南大学、华侨大学等数家单位开展了FRP应用与材料技术的研究．迄今已完成几十项研究项目，发表研究论文100多篇．其在FRP加固技术和设计计算理论等方面，已取得一批创新性的研究成果 ．同时，已完成FRP(主要